基于BIM與物聯網傳感的登高車安全管理技術研發

陳淵鴻 陳 燕 陳 禹

上海建工集團工程研究總院 上海 201114

隨著城市化進程加深，城市空間逐步向高空發展。在大型工程建設過程中，登高車是常用的登高作業平臺。在實際操作過程中，由于登高車存在部分視覺盲區，操作人員往往無法判斷登高車平臺與結構之間的間隙[1-4]，因此，作業過程中常常出現碰撞問題，甚至導致傾覆、設備損壞等事故。

為了減少登高車作業過程中平臺與主體結構的碰撞問題，本文基于BIM技術，研發出GPS模塊定位與RFID通信這2種登高車防撞安全管理系統，基于BIM模型設計行進路線、作業位置、頂升姿態等，通過物聯網感知技術對登高車平臺周邊障礙物進行感知，針對可能出現的安全隱患進行預警，從而最大程度地減少碰撞事故風險。

1 基于BIM與GPS的登高車安全作業技術

1.1 系統結構與原理

1.1.1 系統結構

本系統由GPS感知子系統、虛擬仿真子系統和預警系統組成，虛擬仿真子系統分別與GPS感知子系統和預警系統連接。GPS感知子系統包含若干GPS感應模塊，布設于登高車平臺護欄周圍邊角等容易碰撞部位，可通過衛星定位感知模塊所在位置坐標。虛擬仿真子系統搭載于現場服務器，計算機中存儲現場作業區域BIM模型，制定登高作業專項施工方案時，在BIM模型中劃分安全作業區域，并對車輛行走路徑、作業時登高臂姿態等進行三維模擬，確定作業方案，并將模擬確定的優化方案相關信息存儲于BIM模型。此外，登高車模型中具有GPS模塊信息，預留GPS模塊位置信息接口，根據安全規范要求設置安全距離要求。預警系統包括報警喇叭、報警顯示屏和報警燈等模塊，可接收服務器發出的預警信息。當感知系統檢測到登高車位置處于危險狀態時，觸發預警系統對操作人員和相關安全管理人員進行提醒，并在模型中定位坐標進行展示，避免發生碰撞事故，提高安全管理效率。

1.1.2 系統運行原理

BIM技術是以工程設計、施工、管理控制為系統的數據化工具，是數字化建造的主要組成，通過建立虛擬模型，為施工作業提供清晰完整、契合現場的數據庫。借助這個包含建筑工程信息的三維模型，大大提高了工程的信息集成化程度，從而為工程項目的相關參與方提供一個工程信息交換和共享的平臺。

GPS技術通過其準確、智能的定位能力成為當前位置定位的主要技術之一，用戶可利用GPS技術獲得準確的位置信息等相關數據。再通過互聯網媒介將位置信息傳給所需連接的設備，連接設備通過對該信息進行數據的計算和變換（如地圖投影變換、坐標系統的變換等）后再傳遞給相關移動終端，以得到具體細致的位置信息。GPS定位技術的精度最高可達到0.1 m。

系統對傳統登高車進行改造，將BIM模型與GPS模塊采集的點位信息相結合，首先建立登高作業區域BIM模型，該模型包含作業區結構、大型機械、道路、堆場、基坑圍護等信息，還具有登高車模型，同時搭載GPS模塊，并設置該模塊感應數據的接口。確定作業方案時，首先通過BIM模型確定登高車的進場及行進路徑、登高作業位置及作業方案，確保作業安全。將該路徑關鍵位置坐標存儲于BIM模型，并搭載于現場服務器。作業時，登高車平臺上搭載的GPS模塊通過衛星定位定時獲取位置坐標信息，待所有信息匯總存儲至服務器后，服務器將傳感信息與模型信息進行分析比對，當所測路徑與規劃路徑偏移、臨近危險作業區域或將與鄰近結構碰撞時，通過預警系統進行預警，實現登高車防撞報警功能，為現場的安全施工提供了保障。另一方面，駕駛人員通過移動終端訪問服務器，可在駕駛艙中查看登高車所在狀態，接收預警系統傳出的風險信息。本系統將GPS模塊應用于機械設備中，實現登高車的智能防撞報警、精確定位功能，實現了工地現場智能化、信息化。

1.2 技術應用方式

如圖1所示，GPS型防撞登高車對車體進行了改造，為保障最大限度減少碰撞，此類登高車將傳統的長方形平臺改造成正方形。正方形樣式車體對GPS數據精度的采集具有較好的效果，定位準確性較高。操作臺圍欄邊緣位置部署GPS模塊，實時采集現場工作登高車車體的位置信息，配合使用BIM三維模型進行計算，從而得出整個檢測物的整體點位信息，進而設定登高車安全活動區域的邊界點。得到位置信息后，將定位信息傳輸至服務器；服務器將接收到的登高車車體的位置信息與BIM模型中的安全區域進行比對，使登高車在超出安全區域時會及時預警，預警信號通過報警系統對終端發送相關指令，最終指導操作人員控制登高車做出相應的規避動作。

圖1 GPS型防撞登高車防撞報警系統

2 基于BIM與RFID的登高車安全作業技術

2.1 系統結構與原理

2.1.1 系統結構

本文研發的基于BIM與RFID登高車安全作業技術包含接近檢測系統、RFID定位系統、虛擬仿真系統及安全預警系統等多個系統。檢測系統采用激光雷達傳感測距技術，不受光照影響，能量集中，具有很高的靈敏度和分辨率，抗干擾能力強，可準確測定登高車護欄邊緣與結構的距離。RFID定位系統由RFID芯片及RFID讀卡器組成，RFID芯片搭載于登高車平臺，讀卡器安裝于作業區附近結構邊緣位置，讀卡器讀取芯片發射的信號，通過信號強弱判斷距離，通過三角定位算法得到坐標。虛擬仿真系統搭載于服務器，包含作業場景、危險源、行進路徑及登高車作業方案等詳細信息，安全預警系統的結構及技術與BIM結合GPS系統的安全預警系統有著相似性，都是通過系統與終端服務器相連接。當設備在進行登高作業出現安全隱患時，可觸發預警信號進行設備預警，預警的方式有：報警聲、報警信息提示、打開報警燈等。

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2.1.2 系統運行原理

基于BIM與RFID的登高車安全作業系統運行原理如圖2所示。該系統通過激光雷達測距技術和RFID定位技術相結合，在車體的操作臺部分裝設激光雷達傳感器和RFID芯片，同時通過連入本地服務器對接激光雷達傳感器和RFID讀卡器，車體所搭載的RFID讀卡器在進行作業時，通過讀取RFID芯片來發射相關數據信號。

圖2 RFID防撞登高車原理

防撞登高車所配備的激光雷達傳感器可通過4個方位進行探測預警，通過4個方位數據預設區域進行雷達探測，一旦區域內出現障礙物，傳感器立即把相關數據信息傳送到本地服務器，隨后RFID芯片預向讀卡器進行信號發射，最終登高車將通過報警系統提示操作人員相關風險，RFID讀卡器讀取RFID芯片發射的信號并傳輸到處理器，通過三角定位算法計算得到登高車所在坐標位置，將相應數據同步至BIM數據庫，并將防撞登高車所處的位置信息在三維模型中表示出來；現場工作人員通過三維模型可以及時查看登高車所檢測的位置信息以及使用的相關狀態，一旦出現突發緊急狀況，工作人員也能夠及時趕到事發位置進行現場支援。

2.2 技術應用方式

以BIM技術為基礎，將RFID芯片技術融入登高車以達到安全作業的目的。此類型改造，是在設備上裝載RFID芯片和激光雷達傳感器，通過芯片、雷達的技術結合來實現區域定位以及智能防撞效能，通過4個方位的數據預設區域進行雷達探測，一旦區域內出現障礙物，傳感器立即把相關數據信息傳送到本地服務器，隨后RFID芯片預向讀卡器進行信號發射，最終登高車將通過報警系統提示操作人員相關風險。

現場工作人員通過登高車進行登高作業時，登高車到達服務器RFID讀卡器所覆蓋的預定范圍時，附近的RFID讀卡器即迅速激活車體上搭載的RFID芯片，來精準定位登高車所在位置區域，同時由終端處理器在移動端上以BIM三維模型將情況進行現場展示，實現現場相關情況的全局掌握，進而提高了操作的安全性。

同時，設備服務器所搭載的RFID讀卡器可以準確識別相關RFID芯片，通過芯片連接服務器，再以三維模型進行顯示。

3 BIM與物聯網登高車安全作業技術應用

某大型市政工程為穿越主城區主干道，設計車速80 km/h，雙向6車道，兩側設非機動車道及人行道，紅線寬度60 m。為了最小限度降低施工作業影響，采用預制橋梁進行建造，利用登高車輔助完成部分高處作業工作（圖3）。該項目為重大市政工程，作業覆蓋面廣，對作業安全性有極高要求。為了提高登高作業安全性，降低施工風險，采用基于BIM與GIS的登高車安全作業技術進行施工。

圖3 登高車輔助高空作業立面示意

登高車主要技術參數如表1所示。

表1 登高車主要技術參數

本系統主要應用內容有如下幾個部分：

1）登高作業方案模擬。通過BIM模型設置登高車運行路徑、停靠位置、關鍵姿態等，模擬分析登高作業方案，優化作業方案，減少可能存在的安全隱患，基于三維模型進行可視化交底（圖4）。

圖4 登高車BIM作業模擬

2）登高車作業位置管理。服務器匯總登高車定位信息，并在三維BIM模型進行定位。使用登高車進行工作前，首先通過GPS模塊采集檢測物上某個點位的坐標信息，服務器配合使用BIM三維模型計算出整個模型所有的點位信息，繼而在三維模型上設定登高車活動的安全區域，如假設登高車4個方位離檢測物的距離不得小于1 m，通過GPS技術采集安全區域邊界線的點位信息，將登高車點位信息與安全區域點位信息比對，通過BIM三維模型展示現場環境，同時結合GPS技術對現場安全區域的點位信息進行采集，實時在線掌握現場登高車工作情況，管理人員可集中管理登高車所在位置信息，操作人員可通過移動終端查看自身所在位置。

3）登高車作業風險預警。登高車在工作時，通過GPS技術實時采集登高車的點位信息，傳送至服務器，通過服務器中BIM數據庫對登高車點位與安全區域邊界點位信息進行計算分析，一旦發現運行軌跡超出運行范圍、進入危險作業區域或點位計算得出距離小于設定值，系統會立即發送指令給登高車的報警系統，登高車的報警器會發出報警聲，提醒現場人員停止登高車前進并退回至安全區域，避免現場登高車與檢測物發生碰撞，實現登高車防撞報警功能。GPS防撞登高車同時結合GPS技術對現場安全區域的點位信息進行采集，通過線上移動端實時掌握現場登高作業相關情況，防止出現安全隱患的相關操作，以達到規避安全風險的目的，有效減少施工現場安全事故的發生。

4）安全作業指引。通過在登高車上GPS設備反饋信息，對登高車點位信息與安全區域點位信息比對，通過BIM三維模型展示現場環境，指引現場作業人員進行登高作業。

4 結語

本文將BIM技術與物聯網傳感技術相結合，分別基于GPS與RFID傳感技術，研發了2種基于BIM技術的登高車防撞技術，該技術具有以下優勢：

1）GPS防撞登高車與RFID防撞登高車的使用避免了人員操作的高度視覺盲點，降低了登高工作中出現事故的概率。同樣適用于各種復雜的登高作業，通過對“路徑”和“空間”的設定，能夠有效地避免操作作業中的各種碰撞事件。

2）兩類防撞登高車基于BIM技術而設定，因此，登高作業過程也可以在BIM平臺得到記錄顯示，操作人員可在平臺上模擬實施登高作業，以排查作業中出現的各種安全隱患。

3）防撞登高車所搭配的設備及技術性價比高，對工作效率的提高及安全作業有著較好的使用效果。